Die Erfindung betrifft einen Berührungssensor und eine Vorrichtung zum
Schutz eines hervorstehenden Bauteils.
Vorrichtungen, die die Annäherung eines bewegten Bauteils an umgebende
Bauteile detektieren, um eine bevorstehende Kollision, die die Bauteile
beschädigen könnte, zu vermeiden sind weithin bekannt. Als aller einfachste
Ausführung können Tastschalter verwendet werden, die in vielen Bauformen
erhältlich sind.
Aus DE 42 34 375 ist eine Vorrichtung zur Personen- und Kollisionssicherung
von fahrerlosen Gabelhubfahrzeugen bekannt, die zwischen den
Zinkenspitzen der Hubgabel eine Lichtschranke aufweist.
Die Offenlegungsschrift DE 37 00 009 A1 offenbart eine optoelektronische
Schutzzonenvorrichtung zur Sicherung von bewegten oder festen Objekten
vor unsachgemäßer Berührung oder Kollision. Hierbei wird ein
optoelektronischer Abstandssensor eingesetzt, der einen Lichtstrahl über
einen einstellbaren Winkelbereich schwenkt. Durch Feststellen der Fleckgröße
des Lichtstrahles auf umliegenden Objekten, wird auf den Abstand
geschlossen und bei Unterschreiten eines Sicherheitsabstandes ein Signal
ausgegeben.
Die Bekannten Vorrichtungen haben den Nachteil, dass sie zunächst nur
relative Annäherungen aus einer Richtung erfassen können. Erst durch
Schwenken der Anordnung oder durch den Einsatz mehrerer für verschiedene
Richtungen ausgerichteter Vorrichtungen kann eine Annäherung aus
verschiedenen Richtungen erfasst werden.
Insbesondere, wenn ein zusätzliches schwenken oder eine aufwendige
Erfassung und Auswertung von Messwerten, wie beispielsweise die
Bestimmung einer Lichtfleckgröße, erforderlich ist, kommt es zu
Schaltverzögerungen, während denen sich die unerwünschte Annäherung
fortsetzt.
Tastschalter können derart ausgestaltet sein, dass sie kurze Schaltwege
aufweisen. Sie haben jedoch den bereits erwähnten Nachteil, dass sie nur
Annäherungen aus einer Richtung erfassen. Ferner tragen Tastschalter
baulich im Vergleich zum Schaltweg genau in dieser Richtung sehr stark auf.
Insbesondere wenn für alle Raumrichtungen Tastschalter eingesetzt werden
müssen, ist der Bewegungsfreiraum stark eingeschränkt oder muss
zusätzlicher Raum vorgesehen sein.
In einer höchstgenauen Koordinaten-Messmaschine wird ein sehr schwerer,
auf einem Luftlager gleitender, x/y-Messtisch aus Cerodur, der ein Objekt
trägt, dessen Strukturen vermessen werden sollen, mit einer Genauigkeit von
wenigen Nanometern verschoben. Mit einer solchen Messmaschine können
zum Beispiel Strukturbreiten oder Strukturabstände einer Maske zur
Waferbelichtung bestimmt werden. Die relative Position des x/y-Messtisches
wird dabei interferometrisch gemessen. Oberhalb des Objektes ist ein Objektiv
und unterhalb des Objektes ein Kondensor angeordnet. Das Objekt kann
sowohl in Auflicht-, als auch in Durchlichtanordnung mikroskopisch untersucht
werden. Zum Schutz von hervorstehenden Bauteilen insbesondere vor der
Kollision mit dem schweren x/y-Messtisch, müssen Berührungssensoren
implementiert werden.
Die Komponenten einer solchen höchstgenauen Koordinaten-Messmaschine
sind aus sehr teurem und schwer zu bearbeitendem Material hergestellt. Die
Komponenten, insbesondere der Messtisch, sollen daher nicht größer als
nötig ausfallen. Auch mit Hinblick auf den teuren Reinraumplatz, auf dem
solche Messmaschinen installiert werden, muss eine platzsparende
Ausgestaltung gewählt werden. Der Einsatz von viel Bauraum in Anspruch
nehmenden Berührungssensoren oder Tastschaltern ist vor diesem
Hintergrund nachteilig.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Berührungssensor
anzugeben, bei dem die aufgezeigten Probleme zumindest weitgehend
vermieden sind.
Obige Aufgabe wird gelöst durch einen Berührungssensor mit einem
gegenüber einem ortsfesten Gehäuseteil beabstandeten und beweglich
angeordneten Anschlagelement, einem Detektionssystem, das eine
Lichtquelle mit einer Emissionsfläche und ein gegenüber der Emissionsfläche
der Lichtquelle angeordnetes Empfangselement beinhaltet, das eine
Empfangsfläche definiert, wobei die Empfangsfläche und die Emissionsfläche
im Wesentlichen gleiche Größe aufweisen.
Es ist außerdem Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum
Schutz eines hervorstehenden Bauteils zu schaffen, die die beschriebenen
Probleme vermeidet bzw. löst und darüber hinaus schnell arbeitet und
zuverlässig ist.
Vorstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, die
gekennzeichnet ist durch ein ortsfestes Gehäuseteil mit dem das
hervorstehende Bauteil verbunden ist, ein gegenüber dem ortsfesten
Gehäuseteil beabstandeten und beweglich angeordneten Anschlagelement,
ein Detektionssystem, das eine Lichtquelle mit einer Emissionsfläche und ein
gegenüber der Emissionsfläche der Lichtquelle angeordnetes
Empfangselement beinhaltet, das eine Empfangsfläche definiert, wobei die
Empfangsfläche und die Emissionsfläche im Wesentlichen gleiche Größe
aufweisen.
Der erfindungsgemäße Berührungssensor hat den Vorteil, dass Berührungen
aus verschiedenen Richtungen ohne großen apparativen Aufwand, wie
Schwenken oder duplizieren des Sensors, detektiert werden.
Der Berührungssensor ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass schon bei
sehr kleinen Verschiebungen des Anschlagelements der Lichtweg zwischen
der Emissionsfläche und der Empfangsfläche unterbrochen wird. Hierzu sind
die Emissionsfläche und die Empfangsfläche möglichst klein ausgeführt. Die
Länge des Schaltweges liegt dann im Bereich des Durchmessers von
Emissionsfläche bzw. Empfangsfläche. In einer ganz besonders bevorzugten
Ausgestaltungsform ist die Emissionsfläche durch das Ende mindestens einer
Lichtleitfaser definiert. Die Lichtleitfaser transportiert gleichzeitig das Licht der
Lichtquelle. Auch die Verwendung eines Lichtleitfaserbündels ist möglich,
wobei dann die Austrittsflächen der einzelnen Lichtleitfasern des
Lichtleitfaserbündels die Emissionsfläche definieren.
In einer einfachen Ausführung des erfindungsgemäßen Berührungssensors ist
der Empfangsfläche ein Intensitätssensor zugeordnet. Hierbei kann es sich
beispielsweise um einen Halbleiterdetektor, eine Photodiode oder einen
Photomultiplier handeln. Zwischen der Empfangsfläche und dem
Intensitätssensor kann eine weitere Lichtleitfaser oder ein weiteres
Lichtleitfaserbündel angeordnet sein. Die Lichtquelle kann beispielsweise ein
Laser, eine Leuchtdiode oder eine Glühlampe sein. Bevorzugter Weise wird
ein Halbleiterlaser verwendet.
In einer besonderen Ausgestaltungsform ist die Empfangsfläche eine
Reflexionsfläche, die das von der Emissionsfläche ausgesendete Licht auf
mindestens eine weitere Emissionsfläche richtet, die durch den Querschnitt
einer Lichtleitfaser definiert ist. Diese Lichtleitfaser transportiert das Licht zu
dem Intensitätssensor.
Das Anschlagelement kann auf verschiedene Arten beweglich mit dem
Gehäuseteil verbunden sein. Vorzugsweise weist die Verbindung einen oder
mehrere elastisch biegbare Stäbe auf. Der Stab ist bevorzugter Weise über
eine Grundplatte mit dem Gehäuseteil verbunden, was die Montierbarkeit des
Berührungssensors erleichtert.
Das Anschlagelement, die Grundplatte und deren Verbindung, beispielsweise
der mindestens eine Stab, sowie das Empfangselement können zusammen
einstückig gefertigt sein. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die
Lichtquelle an der Grundplatte befestigt.
Vorzugsweise sind die Empfangsfläche und die Emissionsfläche unmittelbar
übereinander angeordnet. Da das aus einem Lichtleitfaserende austretende
Lichtbündel sehr divergent ist, ist es zur Vermeidung von Lichtverlusten
vorteilhaft, den Berührungssensor so auszugestalten, dass der Lichtweg
zwischen Empfangsfläche und Emissionsfläche kleiner als der Querschnitt der
Emissionsfläche ist. Stattdessen kann jedoch auch zwischen Empfangsfläche
und Emissionsfläche eine Optik angeordnet sein, die beispielsweise das von
der Emissionsfläche ausgehende Licht auf die Empfangsfläche fokussiert.
Der Intensitätssensor erzeugt ein zur Leistung des auf die Emissionsfläche
treffenden Lichtes proportionales elektrisches Signal. Dieses Signal kann zur
Steuerung des Bewegungsablaufs dienen, der das Anschlagen am
Anschlagelement und somit das elektrische Signal verursacht hat. Im
einfachsten Fall wird die Bewegung gestoppt. Es ist auch eine Reduzierung
der Bewegungsgeschwindigkeit steuer-, regel-, oder kontrollierbar.
Wenn die Emissionsfläche und die Empfangsfläche hinreichend groß
ausgestaltet sind, kann eine geringe Verschiebung des Anschlagelements nur
eine Teilweise Unterbrechung der Lichtweges zwischen der Emissionsfläche
und der Empfangsfläche bewirken, was sich in einer Verringerung der
Amplitude des elektrischen Signals äußert. Aus der Amplitudenänderung kann
auf die Strecke geschlossen werden, die das Anschlagelement verschoben
wurde.
In einer besonderen Ausführung der Vorrichtung zum Schutz eines
hervorstehenden Bauteils umschließt das Anschlagelement das zu
schützende Bauteil zumindest teilweise.
Ganz besonders vorteilhaft lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in
einer hochpräzisen Messmaschine einsetzen. Da sich das Anschlagelement
sehr platzsparend ausgestalten lässt, wird kein zusätzlicher Raum benötigt,
was nicht zuletzt den Herstellungsaufwand und die Herstellungskosten der
Messmaschine erheblich reduziert.
In einer speziellen Ausführung umschließt das Anschlagelement den
Kondensor einer hochpräzisen Messmaschine und schützt durch Ausgabe
eines den Bewegungsvorgang stoppenden Signals den Kondensor vor der
Kollision mit dem schweren x/y-Messtisch.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und
wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:
- Fig. 1:
- eine Ausführungsform des Berührungssensors in einer
dreidimensionalen, perspektivischen Ansicht,
- Fig. 2:
- den Berührungssensor aus Fig. 1 in der Draufsicht,
- Fig. 3:
- den Berührungssensor aus Fig. 1 in der Seitenansicht,
- Fig. 4:
- den Berührungssensor aus Fig. 1 in der Seitenansicht bei
der Kollision mit einem Bauteil,
- Fig. 5:
- das Detektionssystem des Berührungssensors und
- Fig. 6:
- eine hochpräzise Messmaschine mit einer Vorrichtung
zum Schutz des Kondensors.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Berührungssensor 1. Das
Anschlagelement 3 ist über vier biegsame Stahlstäbe 5, 7, 9, 11 beweglich mit
einer Grundplatte 13 verbunden. Die Grundplatte 13 weist eine erste Bohrung
15 und eine zweite Bohrung 17 zur Befestigung auf einem in dieser Figur nicht
gezeigten Gehäuseteil, so wie eine Aussparung 19 auf, die gemeinsam mit
dem Anschlagelement 3 einen Raum umschließt in den ein hervorstehendes
Bauteil eingebracht wird. Durch die Grundplatte 13 hindurch ist ein
Lichtleitfaserbündel 21 geführt. Eine erste Hälfte der Lichtleitfasern des
Lichtleitfaserbündels 21 transportiert das Licht einer hier nicht gezeigten
Lichtquelle zu der Emissionsfläche 23, die durch die Endflächen der ersten
Hälfte der Lichtleitfasern des Lichtleitfaserbündels gebildet ist. Als
Empfangselement 25 dient ein weiterer Stahlstab, dessen reflektierende
Endfläche eine erste Empfangsfläche 27 bildet. Die Empfangsfläche 27 ist
gegenüber der Emissionsfläche 23 angeordnet. Die Endflächen der zweiten
Hälfte der Lichtleitfasern des Lichtleitfaserbündels bildet eine weitere
Empfangsfläche 29. Das von der Emissionsfläche 23 ausgehende Licht
gelangt demnach zunächst zur ersten Empfangsfläche 27 und wird dort zur
weiteren Empfangsfläche 29 reflektiert. Durch die zweite Hälfte der
Lichtleitfasern des Lichtleitfaserbündels 21 wird das Licht zu einem hier nicht
gezeigten Intensitätssensor geführt. Der Verlauf der ersten und zweiten Hälfte
der Lichtleitfasern des Lichtleitfaserbündels 21 ist in Fig. 5 dargestellt. Zur
Fixierung des Lichtfaserbündels 21 ist ein Halteblock 31 installiert durch den
das Lichtfaserbündel 21 verläuft und in dem es verklebt ist.
Fig. 2 zeigt den Berührungssensor 1 in der Draufsicht. Die Stahlstäbe 5, 7, 9,
11 und das Empfangselement 25 sind in das Anschlagelement 3 eingelötet.
Fig. 3 zeigt den Berührungssensor 1 in einer Seitenansicht. Im
Ausgangszustand Steht die Empfangsfläche 27 gegenüber der
Emissionsfläche 23.
Fig. 4 zeigt den Berührungssensor 1 in einer Seitenansicht bei der Kollision
mit einem Bauteil 33, das sich aus der mit dem Richtungspfeil 35
angedeuteten Richtung auf das Anschlagelement 3 des Berührungssensors 1
zu bewegt. Durch die Verschiebung des Anschlagelements 3 wird auch das
Empfangselement 25 mit der Empfangsfläche 27 seitlich aus der
Ausgangsposition verschoben, so dass es nicht mehr gegenüber der
Emissionsfläche steht und somit kein Licht mehr reflektiert wird.
Dementsprechend gelangt kein Licht zu der weiteren Empfangsfläche 29 und
somit auch nicht zum Intensitätssensor. Die Veränderung der gemessenen
Intensität detektiert und führt über eine hier nicht gezeigte elektronische
Schaltung zum Stoppen des Bewegungsvorganges des Bauteils 33.
Fig. 5 zeigt das Detektionssystem des erfindungsgemäßen
Berührungssensors. Eine erste Hälfte der Lichtleitfasern 37 des
Lichtleitfaserbündels 21 transportiert das Licht einer Lichtquelle 39 zu der
Emissionsfläche 23, die durch die Endflächen der ersten Hälfte der
Lichtleitfasern 37 des Lichtleitfaserbündels 21 gebildet wird. Als
Empfangselement 25 dient der Stahlstab 25, dessen reflektierende Endfläche
die erste Empfangsfläche 27 bildet. Die erste Empfangsfläche 27 ist
gegenüber der Emissionsfläche 23 angeordnet. Die Endflächen der zweiten
Hälfte der Lichtleitfasern 41 des Lichtleitfaserbündels 21 bilden eine weitere
Empfangsfläche 29. Das von der Emissionsfläche 23 ausgehende Licht
gelangt demnach zunächst zur ersten Empfangsfläche 27 und wird dort zur
weiteren Empfangsfläche 29 reflektiert. Durch die zweite Hälfte der
Lichtleitfasern 41 des Lichtleitfaserbündels 21 wird das Licht zu einem
Intensitätssensor 43 geführt. Das Glasfaserbündel 21 ist im Bereich der
Emissions- und Empfangsfläche 23, 29 in einem Bündel geführt und teilt sich
in einigem Abstand in die ersten und zweite Hälfte 37, 41 des
Lichtleitfaserbündels 21 auf. Der Intensitätssensor ist als Photodiode
ausgeführt, die ein elektrisches zur Leistung des auftreffenden Lichtes
proportionales Signal erzeugt, das elektronisch weiterverarbeitet wird. Die
Lichtquelle besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Diodenlaser.
Fig. 6 zeigt eine hochpräzise Messmaschine 45 mit einer Vorrichtung zum
Schutz eines Kondensors 47. In der höchstgenauen Koordinaten-Messmaschine
45 wird ein sehr schwerer, auf einem Luftlager gleitender, x/y-Messtisch
49 der aus Cerodur gefertigt ist und der ein Objekt 51 trägt, dessen
Strukturen vermessen werden soll, mit einer Genauigkeit von wenigen
Nanometern relativ zu einer Mikroskopoptik verschoben. Die relative Position
des x/y-Messtisches 49 wird dabei interferometrisch gemessen. Das Objekt 51
kann sowohl in Auflicht-, als auch in Durchlichtanordnung mikroskopisch
untersucht werden. Bei der Auflichtuntersuchung wird das Objekt 51 mit dem
Licht 53 einer ersten Lichtquelle 55 durch ein Mikroskopobjektiv 57 hindurch
beleuchtet. Zwischen der ersten Lichtquelle 55 und dem Mikroskopobjektiv 57
ist ein Strahlteiler 59 angeordnet, der das von der ersten Lichtquelle 55
kommende Licht 53 zum Mikroskopobjektiv reflektiert und das vom Objekt 51
ausgehende Licht 61 passieren lässt, so dass dieses zu einem Detektor 63
gelangt, der als Photomultiplier ausgeführt ist. Durch Verschieben des x/y-Messtisches
wird das Objekt 51 abgerastert. In Durchlichtanordnung wird das
Objekt 51 von einer zweiten Lichtquelle 65 durch den Kondensor 47 hindurch
von unten beleuchtet. Das Durchlicht 67 wird im Detektor 63 detektiert.
Der x/y-Messtisch 49 weist im Innenbereich eine Aussparung 69 auf,
innerhalb der der Kondensor 47 nahe an das am Rand aufliegende Objekt 51
geführt werden kann. Der Kondensor ist auf einem Gehäuseteil 79 befestigt.
Der x/y-Messtisch wird von einem Elektromotor 71 angetrieben und gleitet auf
einem Luftlager 83, das zwischen dem x/y-Messtisch und einem planpolierten
Granittisch 81 aufgebaut ist. Da der Verfahrbereich des x/y-Messtisches
größer ist, als die Aussparung 69 im Innenbereich, könnte es zu Kollisionen
zwischen dem Kondensor 47 und dem x/y-Messtisch kommen. Zur
Vermeidung einer Kollision ist eine Vorrichtung zum Schutz 73 des
Kondensors 47 vorgesehen, die einen Berührungssensor 1 beinhaltet. Durch
die Kompakte Bauweise des Berührungssensors 1, insbesondere des
Anschlagelements 3 wird die Bewegungsfreiheit des x/y-Messtisches allenfalls
unwesentlich eingeschränkt. Der Berührungssensor entspricht in seinem
Aufbau dem in Fig. 1 bis Fig. 5 illustrierten Aufbau. Die Vorrichtung zum
Schutz 73 des Kondensors 47, die über eine Grundplatte 13 an dem
Gehäuseteil 79 befestigt ist, beinhaltet eine Steuereinheit 75, in der eine
Lichtquelle 39 und ein Intensitätssensor implementiert sind. Das Licht der
Lichtquelle gelangt wie bereits beschrieben über die erste Hälfte der
Lichtleitfasern 37 des Lichtleitfaserbündels 21zur Emissionsfläche 23. Das von
der Empfangsfläche 27, 29 ausgehende Licht gelangt über die zweite Hälfte
der Lichtleitfasern 41 der Lichtleitfaserbündels 21 zur Steuereinheit 75 und
darin zum Intensitätssensor 43. Bei einer Verringerung des Intensitätssignals
wird über die Leitung 77 ein Signal zum Stoppen an den Elektromotor 71
geleitet.
Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform
beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und
Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich
der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste:
- 1
- Berührungssensor
- 3
- Anschlagelement
- 5
- Stahlstab
- 7
- Stahlstab
- 9
- Stahlstab
- 11
- Stahlstab
- 13
- Grundplatte
- 15
- erste Bohrung
- 17
- zweite Bohrung
- 19
- Aussparung
- 21
- Lichtleitfaserbündel
- 23
- Emissionsfläche
- 24
- Abstand
- 25
- Empfangselement
- 27
- Empfangsfläche
- 29
- weitere Empfangsfläche
- 31
- Halteblock
- 33
- Bauteil
- 35
- Richtungspfeil
- 37
- erste Hälfte der Lichtleitfasern
- 39
- Lichtquelle
- 41
- zweite Hälfte der Lichtleitfasern
- 43
- Intensitätssensor
- 45
- Messmaschine
- 47
- Kondensor
- 49
- x/y-Messtisch
- 51
- Objekt
- 53
- Licht der ersten Lichtquelle
- 55
- erste Lichtquelle
- 57
- Mikroskopobjektiv
- 59
- Strahlteiler
- 61
- ausgehendes Licht
- 63
- Detektor
- 65
- zweite Lichtquelle
- 67
- Durchlicht
- 69
- Aussparung
- 71
- Elektromotor
- 73
- Vorrichtung zum Schutz
- 75
- Steuereinheit
- 77
- Leitung
- 79
- Gehäuseteil
- 81
- Granittisch
- 83
- Luftlager